深度解析小米净水器不能接管线机的问题
文章目录
- 问题的由来
- 小米水龙头
- 水压感应开关（高压开关）
- 解决方案
- 补丁方案的问题及调试
- 管线机出水为什么会比净水器制水慢
- 官方补丁：云米水盒子
- 改进方案1：储水罐/压力桶
- 改进方案2：延时继电器
- 改进方案3：水流开关
- 小米净水器的两种模式
- 小米净水器的自动冲洗
- 结语
小米净水器有不少亮点，的确可称得上“重新发明了净水器”。如果只接水龙头使用，基本上只有一个小问题；但如果接管线机，就会暴露出更多问题。
本文基于大量的调查和实验，分析“小米净水器不能接管线机”这个问题的来龙去脉，探讨各种解决方案，并试验了几种改进方案。
问题的由来
因为家里的旧净水器出了点小问题，于是买了向往已久的小米净水器（厨下式）。为了尽快试用，就没有拆掉旧的管路，直接将小米净水器接在旧的出水龙头上。然后发现，
开水龙头不出水！（同理，开管线机也不出水）
看到小米龙头上的电缆，明白了正确的出水姿势是这样的：
- 电缆接小米龙头；
- 假装打开小米龙头（尽管它没接水管）；
- 打开接了水管的旧龙头。
这样旧龙头就可以出水了。
小米水龙头
所以，小米水龙头不仅是水路的开关，还是电路的开关。
如图，测量A和B的电阻。水龙头在关的状态下，电路是断路的；打开龙头后，电路是通的。更准确地说，龙头打开到行程的约60%，电路开关就接通了。
这个开关接通时，小米净水器就启动工作了。
水压感应开关（高压开关）
而传统的（无桶）净水器是通过水压感应启动的，这个部件俗称“高压开关”。下图是从旧的净水器上拆下来的高压开关。
它的原理是：在水压高的时候，开关是断路的；而在水压低的时候，开关是连通的。上图中，不接入水路时，水压为0，所以也是连通的。
当把这个开关接在出水的水路中时，出水龙头或管线机出水时，水路中的压力降低，这个开关就会接通；当出水口关闭，由于净水器制出的水充满管道，管道中的压力就会上升，这个开关就会断路。
下图是一个示意：左边相当于水龙头打开，其电阻很小；右边相当于水龙头关闭（单向阀反接了），其内部是断路状态。
这样，就可以用这个开关的通/断来启动/停止净水器。这个原理对于水龙头和管线机都是一样的：只要出水，压力就降低；压力降低，开关就接通。所以，传统的净水器连接管线机没有问题。
但小米净水器没有水压感应启动的能力，而是靠水龙头上的“机械开关”来控制的，这样就没法“感知”管线机是否打开。
小知识：高压开关没有方向性（不像单向阀那样）。一个典型的高压开关的触发压力：低于0.15MPa导通，高于0.25MPa断开（这个参数可以微调）。这个值大约相当于1.5/2.5个大气压，也就是工程上说的1.5/2.5公斤（压力）。
解决方案
解决这个问题有以下几种思路：
- 水路联动： 给小米净水器增加水压启/停的能力；
- 电路联动： 用管线机的开关信号来控制净水器；
- 无线联动： 比如通过WiFi或ZigBee启动净水器、传送管线机的按键状态。
方案3超前于现状态太多，而且无线的可靠性也是个问题；1和2各有利弊。先说第2种：优点是能实现开关动作的完全同步；缺点有：
- 需要布电线，因为通常净水器在厨房，而管线机在客厅或餐厅；
- 要拆开管线机，找到管线机的开关状态的电路接入点；
- 为了隔离管线机和净水器的电路，应该要使用继电器，由管线机端的电平来触发继电器的通/断，继电器触点和原水龙头的机械开关处于并联的地位。
所以方案2还是比较麻烦的。我还是先试第1种，这也是网上很多人采用的办法。方法是：把高压开关和小米龙头的机械开关并联。这需要切开小米龙头的电缆，接到其中的红黑两条线上。
这个方案可以实现管线机和净水器的联动，管线机打开时能正常出水。
补丁方案的问题及调试
前面的“补丁方案”有一个问题：净水器会高频率地启动/停止，大约启动1秒,停1秒。
这可能会影响净水器的寿命; 而且直接的影响是：净水器的出水计量完全不准。
如图，1秒级的“用水时长”，出水量基本上都是0；而有些连时长都是0（估计实际是0.5秒以下）。
网上有人说，需要两个单向阀。还有人说，需要调节高压开关的阈值。
这些办法我都试过，没有用。
其实根源在于：小米净水器的制水速度太快！——快于管线机的出水速度。
进得快、出得慢，水管内的压力必然会上升，即使高压开关的阈值调高一点，还是会被超过（理论上超过阈值的时间上可能会多那么一丢丢，但由于管道内容积有限，这个差别估计只有0.1秒的数量级，人根本感觉不到）。
其实宏观地想一下：（对于管线机），进水快，出水慢，这本身是一种不平衡。要使其平衡，要么加大出水速度，要么降低进水速度。而降低进水速度的办法，要么调低制水速度（比如降低功率），要么让净水器工作一会儿，歇一会儿。
反复地启／停其实是一种野蛮的负反馈，如果制水速度能无级变速就好了。那么，降低净水器的进水速度能否能降低制水速度呢？试着把进水阀门调小：
此时貌似听到电机空转的声音，声音变大，感觉净水器内部的增压泵要么抽不到水，要么迅速地把小水流抽过来，并不能连续流畅地运转，于是放弃。
管线机出水为什么会比净水器制水慢
问题的核心就是净水器和管线机两者的出水速度不一致。
会不会是因为管线机的安装位置比净水器高？比如我的管线机的出水口比净水器的位置高1米多，这样压力差大约0.1个大气压。但这其实是远低于高压开关阈值（2.5大气压）的。
查了一下管线机的相关资料，推测是因为管线机内部有水箱，而且水箱很小，靠浮球阀控制水箱开关，这个开和关的容量差很小，以致于1秒的水量就可以使其状态翻转。
这个水箱其实是起到了调控管线机进水速度的作用，使其不超过自己的出水速度。尤其是对于即热式管线机，在烧开水时，出水速度是没法加大的，所以只有降低进水速度，故而必须有这样的调控机制。
官方补丁：云米水盒子
云米是小米生态链公司，小米净水器由云米生产，所以可以认为云米水盒子是这个问题的官方补丁。
但云米水盒子也只宣称支持部分部分管线机。而且描述上也有点神秘，比如没有完整的多角度照片，也没有其三维尺寸。
由于价格感人，我没有购买水盒子。从卖家咨询得到的包装尺寸是 145x145x108mm，净重（应该含配件的）是0.4kg。
下图是官网图片和买家网友晒图。
根据图片可以看出其水路上是一进二出，电路上是一进一出。
根据其尺寸，可以推测不可能有压力桶。而且网上不少评价说依然要用压力桶，否则还是会反复启停。由于电缆里没有电源线，也不可能增加电路模块。所以我怀疑这玩意儿就是把我们的改装装到了一个盒子里。
对于能匹配部分管线机的说法，我的理解还是在于速度。如果某些管线机的出水速度和净水器制水速度相当，或能自动适应出水速度，用我们的改装方案也能完美匹配。
改进方案1：储水罐/压力桶
既然不能通过调节进／出水速度来达到平衡，另一种办法就是加缓冲区，即加一个压力桶。
压力桶内部有一个类似气囊的东西，在桶内储水增加时，气囊压力增加，以便在出水时有一定的压力（这样水才能流入没有水泵、位置更高的管线机或水龙头）。
下图是一个典型的3.0加仑的压力桶的压力和容量曲线。
- A点：压力桶内的水少于4升时，压力下降到0.15MPa，高压开关连通，净水器开始制水；
- B点：储水超过5.5升时，压力上升到0.25MPa，高压开关断开，净水器停止制水。
这意味着，如果管线机一次用水少于1.5升，净水器是不会反复启／停的。举几个例子：
- 如果从B点开始用水，如果少于1.5升，使用的是压力桶内的水，净水器根本不需要启动；
- 如果从A点开始用水，净水器立即启动。然后，取决于制水／出水的速度差：比如制水速度是出水速度的1.5倍，则需要出水3升，压力桶内的水才会增加1.5升到达B点，从而停止制水；如果是3倍，则出水0.75升，就会达到B点，但之后再出水1.5升，净水器都不需要启动，所以是2.25升才启停一次。。
考虑到管线机一次用水一般会比1.5升少很多（一杯水一般0.2~0.3升），所以只要有一个很小的压力桶，反复启停的问题就能得到很好的改善。
而且我不喜欢储水和死水造成的二次污染（这应该是无桶净水器和即热式管线机用户的典型想法），所以这个压力桶越小越好。但我最小只找到了1.5加仑的压力桶，因为是非主流产品，卖家也非常少。其大小还是比我预期的大了点。
实际测试：
- 压力桶在充满水后（即高压开关关断后），可以放出约1升水（至高压开关再次接通）；
- 如果一直打开管线机，净水器会连续运转接近2分钟（制水2.8升）才停止。
可以看到，净水器的启/停周期变得很长了。
改进方案2：延时继电器
另一种改进方案是直接着眼于反复启/停的问题：用一个延时继电器，在高压开关断开时，并不立即断开，而是延时5~10秒再断开；但压力降低，高压开关接通时仍然立即接通。
这个方案能解决出水计量的问题，也不需要储水了。但需要增加电路。
另外，由于水路中的压力实际上已超过高压开关的停止压力的，不知道最后压力会高到什么程度，是否会影响净水器的寿命。
我咨询过云米的技术人员：如果净水器运转，但不让它出水会怎么样？云米的技术人员回答说是有保护的。但我还是不理解制出的水到哪里去了？因为水可压缩的体积是很有限的。合乎逻辑的推测只能是水透过RO膜的速度变慢或根本不能透过，因为RO膜下游的压力变大了。按这种推测，应该说危害并不大，除了各滤芯内部要承受更高的压力。最高承受高压泵的压力？——这应该是设计时要考虑的吧。
延时继电器有很多种，为了方便，我选用了能接USB供电的。接线和说明如下图：
用6.3mm的插簧作为连接头，可以很方便地将这个继电器模块加入/移除系统。为了防水，我将这个模块装在了塑料袋里。
最后设定为约8秒启/停一次，每次制水约0.14升（这其实是管线机的出水速度）。如果管线机打开后马上关闭，净水器还是会“制水”8秒，但水量就很少了（见最后一次）。
这个方案的优点是不需储水，而且成本低；缺点是要加入电路模块（要注意防水），净水器内部要承受压力（但应该在安全范围内）。
改进方案3：水流开关
水流开关是这样一种器件：把水流开关串接在水路中后，如果有水流动，则其内部开关导通；否则断开。
这个方案是把水流开关串联在水路中，而其电路则是并联的，即水流开关和高压开关在电路上是并联的。即逻辑上是“或”的关系：水流开关或高压开关任何一个导通，则小米净水器启动/运转。我们可以看一下具体流程：
- 打开管线机，水压降低，高压开关导通，净水器启动；
- 由于水路中有水流，所以水流开关也导通。即使此时水路中压力上升，高压开关断路，净水器的电缆处（A,B点）仍是导通；
- 只有当关闭管线机，水流停止，水流开关也断路，才会导致A,B点真正断开，从而净水器停止工作。
实际使用了一段时间，这个方案比较完美。
补充：有网友关心废水笔，测量了一下这个方案的废水比例。略高于平时，应该算正常。
同样制1升纯水，产生的废水量：
- 水流开关/高压开关/管线机：685ml (TDS: 305)
- 小米龙头直出：515ml (TDS: 368)
实验条件：
- 纯水：TDS: 24 （净水器显示15）
- 自来水：TDS: 150（这是净水器显示的值，TDS笔在实验中挂了）
- 温度：18℃
图：制1升纯水产生的废水量（左：管线机；右：小米龙头）
小米净水器的两种模式
小米净水器官网上说它有一种提升模式：在自来水水质好的情况下，会自动切换到这种模式；这种模式制水速度更快，废水比更低。
普通模式制水速度是1升/分，提升模式速度是1.4升／分。
我粗略地地用1升的烧杯测量了下，大约3分钟制水5升，所以我的应该是工作在提升模式了。
其实我对这一描述最感兴趣的只是：它内部可以调节制水速度！那么，能不能把这个功能开放给用户？让我从App里手动设置制水速度（使其和管线机出水速度匹配）？
既然内部有这种机制，说明有硬件支持，那么，修改一下固件和App，技术上应该不难实现。
小米净水器的自动冲洗
关于小米净水器是否有自动冲洗的功能，我找到 小米净水器FAQ中的一段说法。
问：小米净水器触控龙头纯水灯先蓝色后橙色再蓝色是什么意思？
答：小米净水器会实时监测纯水的TDS值，以保障出水安全。纯水TDS 偏高时，触控龙头会亮橙色等，同时app也会提醒用户，此时TDS偏高，注意暂时不要直接饮用，纯水TDS低时，用户可以放心饮用。
先蓝、后橙色、再蓝是因为一段时间不使用净水器，反渗透膜发生渗透现象造成的，不同亮灯状态表示纯水的TDS不同：
第一段水：上一次净化的保存在第四级滤芯及管路内的纯水，TDS较低，纯水灯呈蓝色。
第二段水：是第三级反渗透滤芯中发生渗透现象，纯水被浓缩，TDS偏高时纯水灯呈橙色；
第三段水：是机器制出来的新鲜水，TDS较低，纯水灯呈蓝色。。
如果长时间不使用，只要将前面的两段水放掉即可，前面两段水的时间一般是20秒左右，具体冲洗时间和用户家自来水水质有关。
我期望的“自动冲洗”是：如果水质不好，自动将其作为废水排出，这样就不会有TDS高的水流入管线机。上面的回答说明并没有这样的功能，只有依赖于指示灯的“人肉冲洗”。
我咨询了云米的技术人员，说这个有一定难度，业界都没有这样做的。我查了下，确实最高端的云米V1也没有这个功能。下图来自云米V1的官网介绍。
这就是本文开头说的小米净水器的小问题。既然是新一代的“智能”电器，为什么不能智能地替用户做这个选择呢？还指望用户看指示灯操作呢？
技术上，我以为一个三通加上两个电磁阀就可以做到，我甚至打算进行这方面的改装。但本文太长了，留给续集吧……
结语
小米净水器由于使用机械开关启动／停止净水器，而不是靠水压感应的高压开关，所以无法和管线机联动。
改装的基本原则是增加高压开关，根据出水水压来启动／停止净水器。
如果管线机的出水速度慢于净水器的制水／出水速度（通常是这样——因为小米净水器制水太快），就会导致净水器的反复启/停。这是一种正常的负反馈。
这种反复启停会导致水量计量的严重不准，按说也会影响净水器的寿命。
改进的办法是使用压力桶或延时继电器来降低启动／停止的频率。两种方案各有利弊，文中有详细的分析和实验。（后来又增加水流开关的方案，比较完美）
最理想的改进是小米净水器官方增加水压感应的功能：简单的做法是（出水水路中）水压低了启动制水，水压高了停止制水；更完美的是能无级变速，以自动适应管线机的出水速度。
退而求其次的做法是能在App里手动设置制水速度，这种做法的技术成本应该更低一些。
另外，TDS高时亮橙灯，期望用户手动将这段水放掉，对使用水龙头的用户麻烦而不具备很高的可操作性；对使用管线机的用户则完全不具备可行性。期望净水器能增加“智能”功能：自动将TDS高的水作为废水排出。
最后对小米净水器的产品经理吐个槽。
- 设计时不知道有管线机用户。——这是一个不合格的产品经理。
- 考虑到管线机用户只占净水器用户的1%（打个比方，具体数值我不知道），忽略这部分用户。——这是一个务实的产品经理。
- 先挖个坑，以后再填：给配件和升级产品留下空间。——这是一个狡猾的产品经理。